通过机械破碎氧化层延长铝点焊电极寿命的创新研究

本刊推荐：为解决铝点焊中因氧化层(Al2O3)导致电极寿命短、接触电阻高的问题，Heilmann团队通过实验与LS-DYNA模拟系统研究了不同相对运动模式（无摩擦滚动、摩擦滚动、平移）对电极磨损和接触电阻的影响。研究发现，采用摩擦滚动可有效破坏氧化层，降低过渡电阻Rtrans，显著延长电极寿命，为优化焊接枪刚度设计提供了关键依据。

　　

随着汽车轻量化趋势的加速，铝材在白车身制造中的应用日益广泛。然而，铝材表面天然形成的氧化铝层（Al₂O₃）却成为电阻点焊（Resistance Spot Welding）技术面临的一大挑战。这层氧化物的比电阻高达1×10¹⁵ Ω·m，与铝基材的电阻（6×10^-6 Ω·m）形成巨大反差，导致焊接过程中接触电阻波动大、焦耳热集中，进而引发电极快速磨损。更棘手的是，铜电极与铝材之间较强的化学亲和力进一步加剧了电极损耗，使得铝点焊的电极寿命远低于焊接镀锌钢时的水平。如何突破这一瓶颈，成为推动铝点焊技术工业化应用的关键。

以往研究曾尝试通过电极表面微结构设计或旋转电极等方式破坏氧化层，但多数未能系统分析焊接枪机械系统对电极运动的实际影响。在实际焊接中，焊接枪的刚度（C型或X型结构、喉深、臂展等）会导致电极出现滑动、错位和角度偏差等复杂运动，这些动态因素恰恰是影响电极寿命和焊接质量的核心。为此，德国德累斯顿工业大学Heilmann等人开发了一套可精确控制电极相对运动的实验系统，通过模拟工业焊接枪的力学行为，首次系统揭示了不同运动模式对氧化层破坏机制和电极磨损规律的影响。

研究团队通过改造门式焊接机，实现了电极与板材间的四种典型相对运动：无运动、无摩擦滚动、摩擦滚动和平移。他们采用ISO 5821-A0-16-22-150型CuCr1Zr电极和2 mm厚EN-AW-6016铝板，在40 kA电流、5 kN压力下进行焊接实验，并通过激光三角测量仪和电压钳位技术实时监测电极位移和接触电阻。利用共聚焦显微镜观察焊后板材表面形貌，并结合LS-DYNA软件模拟分析了不同运动模式下界面剪切应力的分布特征。

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实验结果表明，是否设置板材止动装置（sheet stop）是影响电极磨损的最显著因素。当存在止动装置时，电极与板材间产生摩擦滚动，表面氧化层被有效磨削，接触电阻稳定降低，电极磨损评级显著改善（均值≤1级）；而无止动装置时，电极多呈现无摩擦滚动，表面粗糙度得以保留，局部接触点过热导致磨损加剧（均值≥2级）。共聚焦显微镜图像清晰显示，摩擦运动（平移和摩擦滚动）在板材表面形成明显的磨削沟槽和材料堆积，而无摩擦运动则几乎不改变原始表面形貌。

trans for the different contact partners and the electrode movement s_{φ_y} for both rotation axes(b) of 2.5 mm(anode) and 0.5 mm(cathode) with(w) and without(wo) sheet stop">

仿真结果进一步揭示了机理：摩擦运动在界面产生高达150 MPa的剪切应力，且应力分布面积广，能够大面积破坏氧化层；而无摩擦运动的剪切应力仅集中在压痕边缘（约110 MPa），难以有效破坏氧化层。这种应力分布的差异直接决定了氧化层的破坏程度和接触电阻的稳定性。

值得注意的是，阴极（cathode）的摩擦运动对降低电极磨损效果尤为显著，但其效果与运动距离非单调相关，暗示局部界面条件的微妙变化可能起主导作用。此外，电极错位和角度偏差在实验参数范围内未表现出显著影响，表明相对运动类型（尤其是是否存在摩擦）才是核心影响因素。

这项研究首次将焊接枪机械系统、电极运动模式和界面破坏机制相关联，明确了通过控制摩擦滚动可显著提升铝点焊电极寿命。其意义不仅在于提出了“适度刚度”的焊接枪设计理念（即需保证力建立阶段的可控运动，又避免电流通过时的失控振动），更为开发实时调节电极运动的智能焊接系统提供了理论依据。未来，结合力控制策略和动态调整机制，有望进一步实现铝点焊过程的精准优化，推动轻量化制造技术的革新。

论文发表于焊接领域权威期刊《Welding in the World》，为铝材焊接工艺的升级提供了重要技术支撑。